干湿循环下膨胀土体力学特性分析

使用 FLAC3D 建立不同坡比和支护形式的膨胀土边坡数值模型，分析了干湿下强度降低对于膨胀土边坡的影响规律，干湿循环导致强度衰减致使边坡安全系数折减超过 40%；探讨了干湿之后不同坡比和支护形式对边坡稳定性的提高效果，锚杆格构梁加固膨胀土边坡效果良好，坡比 1:0.75 下锚杆格构梁加固率在基于自然土坡状态下安全系数提高了 21.6%，而在坡比 1:1.5 下安全系数却只提高了 5.73%，随着坡度的变缓，加固的效果在减弱。
1 绪论

1.1 引言

边坡的失稳造成的滑坡是仅次于地震的第 2 大地质灾害，而我国的山地约占全国面积的 2/3，是世界上滑坡频发的国家之一。在工程建设中往往会遇到边坡稳定性问题，给工程建设与人员财产造成严重损失。膨胀土边坡因自身土体作为一种气候敏感性土体，一旦经历干湿交替的外部影响，其体积胀缩明显。因此，边坡稳定性研究特别是降雨-蒸发这一自然干湿气候对膨胀土边坡的稳定性影响不容被轻视。膨胀土问题[1]引起的破坏已是作为世界范围内的稳定性问题，如图 1.1 所示。

随着我国基础设施建设的全面展开，逢山开路，遇水架桥，跋山涉水，把现代化传输到中国的每个角落，基础设施投资步伐进入飞速发展时段。我国有 26 余省(区)和直辖市分布有膨胀土，膨胀土分布区将不可避免的涉及到工程建设。在此过程中因膨胀土自身的膨胀性、裂隙性、强度衰减性等特点[2-5]，和在湿润和干燥循环过程的季节性干湿气候循环影响下，土体发生周期性的膨胀和收缩，可在这类土体建立的结构中观察到裂缝和变形，使其强度衰减而易遭受膨胀土破坏，给工程建设和人民生命财产带来巨大的损失。而膨胀土边坡的失稳多发生在干湿循环后，由此膨胀土滑坡与干湿循环有着紧密的联系。为此，加强干湿循环下膨胀土体力学特性和边坡稳定性研究，对于指导解决膨胀土工程建设问题有着最直接的意义，更能趋利避险，减少膨胀土问题带来的非必要损失。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 膨胀土变形特性研究现状

在国内外众多学者的努力下，膨胀变形规律取得了许多有价值的研究进展。膨胀变形特性的研究主要通过有荷膨胀率的试验和无荷膨胀率的试验，尤其涉及膨胀模型及其应用的研究，为指导工程建设中具有不可忽视的意义。关于膨胀土变形特性系统性研究起于上世纪，1970 年 Huder，Amberg[6]基于膨胀土侧向不膨胀或产生膨胀变形很小，假定其侧向不发生膨胀变形，提出了基于侧限条件下的 Huder-Amberg 膨胀模型，其轴向膨胀应变与轴向应力呈半对数线性关系。Rao S M等[7]研究了循环湿润和干燥对化学改性膨胀土溶胀行为的影响。Puppala A J 等[8]通过研究土水特征曲线来对膨胀土的膨胀、收缩性质进行探讨；Lin B 等[9]评估最佳含水量下的自由膨胀和膨胀压力与基质吸力值的相关性；Hana H[10]对预测膨胀土随时间变化的原位体积变化运动的方法进行了简要汇总。为研究膨胀土的膨胀变形及其影响因素，在外荷载作用下的变形研究中，范臻辉[11]通过南宁膨胀土的膨胀率进行三元回归分析，分析了膨胀变形与干密度、含水率和压力的定量关系。辛志宇[12]用合肥某工地膨胀土以初始含水率不同为变量来开展无荷膨胀率试验的前提下，采用 4 参数的 Weibull 模型来表示不同初始含水率下膨胀率的关系；周葆春[13]以压实度不同的荆门某膨胀土为试验对象，运用 3 参数 Logistic 函数模型分析了无荷状态下膨胀时程曲线特征。王晓蕾[14]通过多元回归分析，构建了重塑土无荷膨胀率与含水率、膨胀时间之间的关系，只是还未明确方程参数的代表含义。张连杰[15]通过室内一维膨胀率试验研究了初始含水率对膨胀时程曲线的影响规律，利用 Knothe 时间函数模型构建了膨胀时程方程，明确了参数 a 受初始含水率的影响随含水率增大而减小，参数 b 可认为是代表初始膨胀速率。李志清[16]系统地研究了不同初始状态下膨胀土胀缩变形规律与致灾机制，并应用 Does Response 模型对膨胀土膨胀时程规律进行定量分析并认为膨胀时程曲线随“S”型发展变化。黄斌[17]建立了考虑压实度、初始含水率、上覆荷载影响的邯郸膨胀土的状态含水率与膨胀率变化规律的的线膨胀系数表达式。刘清秉[18]通过逐级回归分析南阳压实膨胀土的膨胀率随起使含水率及上覆压力之间规律，建立了能综合考虑压实度、含水率及上覆压力 3 项因素之间相互耦合关联的 K0 应力下膨

胀模型公式，同时也探讨了采用 K0 膨胀模型公式预测三轴膨胀体积应变的方法。

2 蒸发试验下膨胀土体的物理性质研究

2.1 膨胀土物理性质分析

膨胀土的基本物理性质包括：含水率、相对密度、液限和塑限以及塑性指数等。对试验区所选土样按照轻型击实标准进行击实试验后，测的最大干密度和最优含水率，以初始含水率为最优含水率制备土样，以试验的初始试样（压实系数为 0.95）进行土工试验；如图 2.1 所示测得的土样基本物理性质指标见表 2.1。

2.2 蒸发下膨胀土体模型研究

通过在实验室模拟蒸发条件，使用浴霸灯模拟太阳光，以 8 小时为一天的日照时间，两灯型号和距离受热面距离一样以及电路并联来保证相同的光照条件。通过开展膨胀土在昼夜交替作用下的温度场、含水率的演化试验，如图 2.2 所示，利用 PT100 温度传感器采集温度数据和传统烘干法手段测量含水率数据，记录膨胀土体在蒸发作用中的温度、含水率变化过程。基于数据处理软件 Origin 进行定量分析，获得昼夜交替下温度随时间和深度的变化规律，以及含水率随深度的关系，从而探讨膨胀土在蒸发作用下含水率和温度的演化规律。

3 浸水试验下膨胀土体的变形特性研究.................................................................... 21

3.1 不同干湿次数下无荷膨胀率......................................................................... 21

3.2 膨胀变形对强度弱化的影响......................................................................... 24

3.3 膨胀时程曲线模型分析................................................................................. 25

3.4 本章小结......................................................................................................... 31

4 干湿循环下膨胀土的抗剪强度特性研究................................................................ 33

4.1 干湿循环下膨胀土三轴试验......................................................................... 33

4.2 干湿循环下应力-应变的变化规律................................................................ 34

5 干湿循环下膨胀土的动力特性研究........................................................................ 49

5.1 循环荷载下的动三轴试验............................................................................. 49

5.2 循环荷载下变形特性..................................................................................... 50

5.3 本章小结......................................................................................................... 57

6 膨胀土边坡稳定性研究............................................................................................ 58

6.1 FLAC3D数值模拟的说明............................................................................... 58

6.2 边坡模型的模型分析..................................................................................... 62

6.3 干湿循环作用下的稳定性分析..................................................................... 64

6.4 不同坡比和支护下稳定性分析..................................................................... 65

6.5 本章小结......................................................................................................... 68

6 膨胀土边坡稳定性研究

干湿作用下使膨胀土体的强度弱化，采用 FLAC3D研究干湿循环次数作用下膨胀土体抗剪强度衰弱对边坡稳定性的影响，以及不同坡比和支护方法下的膨胀土边坡安全系数、滑裂面、塑性区进行分析。

6.1 FLAC3D数值模拟的说明

1.FLAC3D 阐述

FLAC3D是用于工程力学计算的三维显式拉格朗日计算的有限差分程序。FLAC3D把FLAC 的分析功能拓展到三个维度，以模拟由土质，岩石或其他材料建造的三维结构的受力特性模拟和塑性流动分析。材质由三维网格内的多面体单元表示，对其进行调整以适应要建模对象的结构。响应于施加的力或边界约束，每个单元的行为均遵循规定的线性或非线性本构模型规律。材料发生屈服和流动时，网格可以变形（在大应变模式下）并随所代表的材料移动。 FLAC3D 中使用的显式拉格朗日计算方案和混合离散化分区技术可确保准确地模拟塑性塌陷和流动。由于没有矩阵形成，所以可以进行大范围的三维计算而无需过多的存储要求。

2.FLAC3D 中结构单元使用

FLAC3D 中包括了六种形式的结构单元，总的分为两类：线型结构单元和壳型结构单元，结构节点(node)和结构构件(SELs)组成了结构单元，如表 6.1 所示。膨胀土边坡支护模拟采用梁单元(beam)和锚索单元(cable)

7 结论与展望

7.1 结论

本文分析了河北某地区膨胀土在蒸发作用下的温度、含水率变化，探讨了干湿循环下膨胀土的变形规律，研究了干湿循环下的静动力学特性，结合不同坡比和支护形式的边坡数值模拟，分析了强度降低对于膨胀土边坡的影响规律。有几点结论阐述如下：

（1）基于轻型击实试验的土性参数，开展土体蒸发试验，分析了不同日照时间下膨胀土体温度、含水率随深度的分布变化；用相同时间的升温和降温形成的温度差解释了土层储存热量的原因，蒸发的温度梯度使含水率的拐点向下发展；对不同深度的温度与日照时间进行线性拟合，再考虑拟合参数与土柱深度的关系，得到了在不同日照时间和不同深度土体的温度关系式。

（2）分析不同干湿循环次数的膨胀土的膨胀时程曲线，将膨胀变形可划为 3 个阶段，吸湿膨胀变形主要集中在急剧膨胀变化阶段，采用 Knothe 时间函数膨胀模型和多元回归膨胀模型分析了干湿循环次数和膨胀时间对于膨胀率的变化，利用残差平方和与相关系数来评价拟合程度。基于 Knothe 时间函数为准则来考虑无荷膨胀率同膨胀时间及干湿次数之间的关系拟合效果更好。

（3）在不同围压中对干湿循环下膨胀土的抗剪强度进行分析，干湿循环下膨胀土的破坏应力在减小，低围压下的黏聚力降幅比高围压段的大，另外低围压下的内摩擦角大于高围压下的内摩擦角。从加工硬化曲线的割线模量和割线模量参数出发，拟合了两种考虑干湿次数的应力-应变曲线的经验公式。

（4）对膨胀土的动力特性上，分析了不同动应力幅值和干湿循环对其的影响。干湿循环次数增多和增大动应力幅值，都会导致累积塑性应变的增大和弹性变形的增大。动应力幅值与土体的弹性变形呈线性相关，相同的动应力幅值作用下，随着干湿循环次数的增多，土体的弹性变形在变大，干湿循环后的土体更易被破坏。

（5）使用 FLAC3D 建立不同坡比和支护形式的膨胀土边坡数值模型，分析了干湿下强度降低对于膨胀土边坡的影响规律，干湿循环导致强度衰减致使边坡安全系数折减超过 40%；探讨了干湿之后不同坡比和支护形式对边坡稳定性的提高效果，锚杆格构梁加固膨胀土边坡效果良好，坡比 1:0.75 下锚杆格构梁加固率在基于自然土坡状态下安全系数提高了 21.6%，而在坡比 1:1.5 下安全系数却只提高了 5.73%，随着坡度的变缓，加固的效果在减弱。